Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Научные основы технологий регенерации почвогрунтов застраиваемых территорий

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Научные основы технологий регенерации почвогрунтов застраиваемых территорий"

Д-ЗЗ 010

На правах рукописи

Яцынин Михаил Николаевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ПОЧВОГРУНТОВ ЗАСТРАИВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЙ

25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород -2002

рлВ'.-'їч шпо;шьнАвт[жегогодск'ом государственном дрхтктугнсмлроитальном университете

« НИЖГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕН НОМ ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель доктор химических наук, профессор В,И. Наумов

Научный консультант доктор технических наук, профессор Л.Н. Губанов

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Д.Б, Гслашвнли кандидат технических наук, доцент В.А. Новичішін

Ведущая организация

ОАО «НижегородТИСИЗ» Нижегородский трест инженерно строительных изысканий

Защита состоится "_"_2002 в_часов на заседании диссертационного совета Д 212,162.02 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном унивеп^ - гз по адресу: 603950,г. Нижний Новгород. ул. Ильинская, 65, корпус 5. ~.,дитория 202.

С дио .тгадией можно ознакомиться з библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного лииверситета.

Автореферат разослан "_" _ _2002 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Л Е В. Копосов

доктор технических наук. профессор

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность исследований

В результате строительства городов и городской конгломерации, крупных промышленных комплексов и дорог, промышленного загрязнения и уплотнения грунта тяжелой техникой происходит техногенное нарушение почвогрунтов. Все строительные и горнодобывающие работы предусматривают регенерационные мероприятия с использованием приемов рекультивации и мелиорации. В практике градостроительстве доминирует метод земле-вания, который в XXI веке будет запрещен. Поэтому необходима разработка эффективных технологий регенерации техногеннонарушенных почвогрунтов, направленных на антропогенное создание аналогов естественных зональных почв как важнейшего компонента экосистем населенных пунктов или новых районов городских конгломерации.

1.2. Цель н задачи исследований

Цепью работы явилась разработка научных основ оптимизации технологических процессов регенерации, включающих приемы рекультивации и мелиорации почвогрунтов для защиты целостности экосистем застраиваемых территорий.

В соответствии с этим решались следующие задачи: установление основных параметров (фильтрационная и адсорбционная способность, агрегатные и другие свойства) исследуемых модельных сред; определение характеристик минеральной и высокомолекулярной частям дисперсий, составляющих этих сред; установление доминирующих причин агрегативноЙ устойчивости полидислерсий; установление эффективности действия химических соединений регенерантов полидисперсий; разработка метода нормирования минеральных и органических регенерантов; разработка технологии регенерации почвогрунтов, нарушенных в ходе строительства объектов промышленного и гражданского назначения.

1.3. Научная новизна работы:

- разработана методология нормирования органических и минеральных

регенерантов для эффективного восстановления $6дно-физи«м£ких свойств

' Л а • "."'IV " % , почвогрунтов техногеннонарушенных лэ1 дшафтов городовИ -ГОрДОДООы-

ваюших регионов;

и

- разработаны новые подходы к модернизации существующих технологий регенерации техногеннонарушенных в ходе строительства почвогрунтов, на основе макромолекулярной теории строения их полидисперсий;

- внедрен эффективный препарат регенерации почвогрунтов.

1.4. Достоверность

В работе использованы комплексные подходы к изучаемой проблеме и современные инструментальные методы исследования: электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, рентгено-структурный анализ, ультрацентрифугирование. Результаты подвергались статистической обработке.

1.5. Практическая значимость и реализация результатов исследований

Работа внедрена рядом строительных организаций: государственной специализированной передвижной автоколонной «САРАНСКАГРОСПЕЦ-МОНТАЖ» г. Саранск; Ардатовской межхозяйственной строительной организацией; государственным агропромышленным объединением «Рамоданов-агропромхимия», а также принята в виде методического материала в Калининградском государственном техническом университете и Институтом почвоведения МОиН РК.

1.6. Апробация работы

Результаты исследований докладывались: на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГТУ в 1997г.; на Всероссийской научно-технической конференции: "Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино-и приборостроении" в 1998г.; на Всероссийской молодежной научно-технической конференции в 1999г.

1.7. Публикации

По теме диссертации опубликовано 1 б печатных работ.

1.8. На защиту выносятся следующие научные положения:

- результаты экспериментальных и теоретических исследований по разработке эффективных технологий регенерации техногеннонарушенных в процессе строительства почвогрунтов.

- исследования по разработке новых подходов нормирования органических и минеральных регенерантов, на основе макромолекулярной теории строения их полидисперсий.

1.9. Структура н объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы. Общий объем работы Г73 страницы, 33 таблицы; 33 рисунков; 273 библиографические ссылки.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу развития теоретических основ технологий регенерации почв, грунтов и полученных в процессе застраивания территорий техногеннонарушенных почвогрунтов,

1. Теоретические основы технологий регенерации направлены на активное воздействие на высокодисперсные фракции почвогрунтов, поэтому, чтобы разрабатывать или модернизировать технологии регенерации, необходимо сделать обоснованный выбор теории строения исследуем ьех полидисперсий. В настоящее время в науке существуют две теории строения почвенных полидисперсий: мицеллярная [Гедройц, 1912, 1955; КеНеу, 1951; Матсон, 1934, 1938; Винтер, 1936; Антипов-Каратаев, 1939, 1945, 1957; Тю-лин, 1939, 1958] и макромолекулярная (Гребенщиков, 1937; Шаров, 1940; Ребиндер, 1940, 1946; Денисов, 1957]. Развитие теоретических представлений о мицеллярном строении дисперсий почв и грунтов позволило разделить все частицы почвогрунта на три основные группы: минеральные мицеллы; органические и органоминеральные [Горбунов, 1974].

Впервые несоответствие теории мицеллярного строения полидисперсий и природных явлений было установлено при обнаружении солонцов с низким содержанием в поглощающем комплексе катиона натрия [Антипов-Каратаев, 1953; Прасолов, 1930; Иванова, 1930; Розов, 1932; Усов, 1934, 1937; Андреев, 1956, 1961, 1963], это привело к поиску новых теоретических обоснований и формированию макромолекулярной теории. Огромное значение для формирования макромолекулярной теории сыграли школы академиков В.А. Каргина и П.А. Ребиндра, В.М. Боровского, И.В. Гребенщикова

[Воюцкий, 1964, 1976; Пасынский, 1968; Каргин, 1962; Гребенщиков, 1937; Шаров, 1940; Ребивдер, 1940, 1946; Денисов, 1957; Думанский, 1948, 1960; Захарчеко, 1974; Щукин, Перцов, Амелина, 1982; Фролов, 1989; Черкинский, 1967; Менделеев, 1947; Андрианов, 1955; Коршак, 1965; Тюрин, 1948, 1965; Кононова, 1963; Пономарева, 1979; Александрова, 1949, 1960, 1980; Орлов, 1974, 1979, 1985; Черкинский, 1967; Сейфулина, 1984; Карпова, 1992; Лобанов, Кулаков, Федяев, 1996]. Опираясь на труды Д.И. Менделеева [1947], К.А. Андрианова 11955], Б.А. Каргина [1962], В.В. Коршака [1965] и др. Ю.С. Черкинский рассматривает строительные материалы, и в первую очередь цемент, как неорганические полимеры. Полиднсперсни почвогрунтов, согласно макромолекулярной теории, состоят из единого комплекса кристалла и высокомолекулярной оболочки (рис. 1).

Рис. 1. Схема макромолекулярного строения дисперсий; а - рентгено-крисгаллическин минерал; б - рентгено-аморфная, высокомолекулярная оболочка

2, Известные технические решения улучшения качества почвогрун-

тов К известным технологиям регенерации можно отнести следующие.

Землевание и внесение навоза. Это наиболее древние способы, которые активно применяются и в современном arpo- и градостроительстве. На тех-ногеннонарушенную территорию насыпается 5-10 см слой зональной почвы или запахивается 30-50 тонн навоза на гектар [Орловский, 1938; Антипов-Каратаев, Филиппова, 1936]. Достоинством этих методов является их коренное преобразование тех ногеннонарушенных почвогрушов. К недостаткам следует отнести высокую стоимость и нарушение естественных экосистем.

Гипсование. Теоретической основой гипсования является замена в двойном электрическом слое катиона натрия кальцием [Гедройн, 1926; Kelly, 1951]. Достоинством метода является улучшение влагоемкости, фильтрующей способности и водопрочности агрегатов. Повышается аэрация и острук-

туренность эксплуатируемых горизонтов. Недостатком метода можно считать несовершенство норм расчета [Сейфулина, 1984; Карпова, 1992;Лук-банов, 1995; Еланцева, 1997; Кулаков, 1995].

Известкование. В качестве регенерантов могут быть использованы: известковая мука, мергель, доломит, известковый туф, гажа (озерная известь) и отходы свеклосахарного производства (дефенат). Недостатком метода можно считать низкую эффективность.

Кислотовйние н феррумнзация. Оба метода основаны на использовании в качестве регенерантов серной кислоты и сернокислого железа [Лактионов, 1961; Агабабян, 1968; Читчан, 1972]. Недостатком метода следует считать повышенную трудоемкость работы с серной кислотой в полевых условиях, а также отсутствие ожидаемой экономической отдачи.

Структуризация полимерами. Широкую известность получили препараты полиакриламида и разработанные на этой основе полимеры серии К*4; К-9 и др. ^аИеП, Ра§атуаз, 1968; Поясов. Романов, 1968]. Основным недостатком метода является искажение естественного биосферного процесса и отсутствие теоретической основы для расчета необходимых норм внесения препаратов.

3. Используемые регенеранты.

Гипс - Са804х5Нг0. Белый кристаллический порошок. Рекомендуется для мелиорации интразонапьных, техногеннонарушенных почв с повышенным содержанием катиона натрия [методические указания, 1979,1989].

Сернокислое железо окисное, гидрат - Ре2 (вО^э х 9Н1О. Белый кристаллический порошок. Хорошо растворим в воде. Железный купорос вносят в почву и в виде микроудобрений [Орлов, 1985; Ковальский, Андрианова, 1970; Зонн, 1937].

Искусственные полнмеры-струкгоры типа К-4. Содержат около 9% азота в форме нитрила. В промышленности К-4 выпускаются в виде 8-10%-х растворов.

Органический регеиераит РПГ-21. Разработан по плану диссертационной работы. Представляет собой темно-бурый водо-растворимый порошок. В химический состав, входят: органическое вещество, от 50 до 80%; макроэлементы, от 15 до 20%; микроэлементы, от 5х]0"4% до 10%,

вторая глава посвящена методам исследования н описанию техноген-нонарушенных грунтов и полидисперсных моделей.

Методы исследования. Химический состав определяется методом Гед-ройца К.К. [1955], гранулометрический состав - методом Качинского [1966), емкость поглощения и состав обменных катионов - по Гедройцу [1955], вод-ио-фгоические свойства - по Виленскому [Воробьев, 1967].

Из инструментальных методов проводили эле кгронно- микроскопические исследования на электронном микроскопе ЭММА-4. Сканирование поверхности полидисперсий осуществляли с помощью растрового электронного микроскопа типа Суперпроб СХА-733 японской фирмы Джеол, Качествен* ное определение минералов к высокомолекулярных соединений осуществлялось рентгенографическим методом с помощью рентген-дифрактометра ДГОН-05 [Китайгородский, 1952; Бриндли, 1955; Гримм, 1959; Гшшер, 1966; Градусов, 1967]. Элементные связи определяли методом инфракрасной спектроскопии на двухлучевом автоматическом спектрометре 1Ж-20 [Орлов, 1985; Копылова, Ни, 1987; Накамото, 1966]. Прочность агрегатов проверялась на разрывном приборе ИР-5057,

Описание техногеннонарушейных грунтов к моделей. Для исследований брались образцы техногеннонарушенных почвогруктов и зональные почвы. Достоверность теорий строения полидисперсий почв и грунтов проверялась на полидисперсных моделях.

Для разработки технологии регенерации почвогрунтов, нарушенных в ходе строительства объектов промышленного и гражданского назначения, техногеннонарушенные почвогрунты (ТНПГ) были взяты со строительной площадки в северо-западной части г.Арзамаса, а в трех километрах севернее города для сравнения брали образцы зональной темно-серой лесной почвы (ТСЛП).

В данной работе рассматривается техногенное нарушение в виде перемешивания горизонтов в процессе коренной перепланировки строительной площадки, предназначенной для строительства жилых домов.

Образцы ТНПГ по гранулометрическому составу характеризуются, как глина легкая; частицы < 0.01 мм - 69.1%.. Емкость поглощения составляет 17.31 мг-экв на 100 г образца, кзлышй - 11.01 мг-экв, магний - 6,6 мг-экв, натрий - 1.7 мг-экв. Техногенное воздействие полностью разрушило естест-

венный элювиальный горизонт с поднятием на поверхность материнских пород.

По гранулометрическому составу ТОЛП представляла собой тяжелый суглинок с фракциями меньше 0.01 мм - 52.9%, Емкость поглощения у зональных почв значительно выше, чем у образцов с техногенно нарушенных земель - 37.9 мг-экв на 100 г образца; кальций - 29.4 мг-экв, магний - 7.4 мг-экв, натрий * 1.1 мг-экв.

Активированный уголь представляет собой гидрофобную систему со способностью коагулироваться за счет ван-дер-ваальсовских сил. По гранулометрическому составу он соответствует легкой глине, Емкость поглощения угля - 7.26 мг-экв на 100 г образца.

Альбит №(А18ізОз) по гранулометрическому составу соответствует рыхлому песку. Содержание илистой фракции невелико - 0.29%, а в основном преобладает песчаная фракция (0,25-0,05мм) - 81.78%.

Анортит Са^ІівілОв) по гранулометрическому составу отнесен к тяжелому суглинку. Емкость поглощения анортита - 7,12 мг-экв на 100 г образца. Содержание кальция - 6.62 мг-экв, натрия - 0.5 мг-экв.

Тальк М^ОН^в^Ою] по гранулометрическому составу - тяжелый суглинок. Емкость поглощения - 9.84 мг-экв на 100г образца. В составе поглощенных катионов установлен только магний.

Каолмннт АІДОІЩві^ю] по гранулометрическому составу отнесен к средним глинам. Емкость поглощения каолинита - 14.42 мг-экв на 100 г образца. В составе поглощенных катионов установлен только катион кальция.

Монтмориллонит (Са, АІ, Ге)г(ОН)2[8І40іо)хпНгО, по грану-

лометрическому составу соответствует тяжелой глине. Емкость поглощения очень большая, 49.30 мг-экв на 100 г образца. В составе поглощенных катионов доминирует катион кальция (39.4 мг-экв) и значительное количество магния (9,7 мг-экв).

Третья глава посвящена изучению структуры и химического состава регенерируемых почвогрунтов.

Мнкроморфология полидисперсий почвогрунтов. В данной работе исследования по установлению научных основ технологий регенерации техноген-нонарушенных почвогрунтов базируются на макромслехулярной теории

строения полидислерсий. с этой целью изучали микроморфологию полидисперсий на электронном микроскопе ЭММА-4. Исследования дисперсий ТНПГ - Р-7 позволили установить кристалло-высокомолекулярное строение частиц (рис. 2).

Рис.2. Кристалло-высокомолекулярное Рис.3. Сканирующая мик-

Как видно, в центре находится минерал неправильной формы, вокруг которого размешается мощная аморфная оболочка. На этих снимках минерал имеет темное изображение, а оболочка - более светлую окраску. Проведенные расчеты показывают, что плотность кристаллической фазы, которую мы наблюдаем в виде темных включений на электронных снимках, колеблется в пределах: известных в почве минералов: 2.2 - 2.9 г/см3 -монтмориллонит; 2.5 - 2.6 г/см3 - каолинит; 2,5 - 2.8 г/см3 - полевые шпаты и т.д. Плотность молекулярных соединений колеблется от 1.05 - 1.4 г/см3. Минералы с такой плотностью неизвестны. Микроморфологические исследования поверхности тголидасперсий почвогрунтов осуществлялись на растровом электронном микроскопе СХА-733. Шаровидные частицы (рис.3) имеют волнообразную поверхность дисперсий различного размера. Установление соотношений между кристаллической и молекулярной частями в полиднсперсннх почвогрунтов. Для установления соотношений между кристаллической и молекулярной частями была проведена деструкция молекулярной части полидисперсий известными в почвоведении методами: Тюрина [1931], Гедройца [1955], Тамма [Аринушкина, 1970]. Химический состав дисперсий. В кристаллической части илистых фракций преобладает кремний (70,71 - 71.91%), алюминий и железо (соответственно 15.01 и 5.11%; 15.00 и4.48%), Кальций занимает в кристаллической части такое же пропорциональное значение, как и в недеструктированных

строение высокодисперсий

роскоши (увел. 35000 кр.)

Таблица 1 - Соотношение между кристаллическими в

высокомолекулярными частями дисперсий КВС (%)

Метод деструкции Кристал Высокомолекулярная часть

лическая часть Сумма компонен. Гумус по Тюрину Окись кремния r2o3

Почва

По Тюрину К2СК07 70.14 29.68 2.95 24.46 2.45

По Гедройцу 5% КОН 93.41 6.59 2,95 2.32 1.32

По Тамму nh»ooc-c-oonh4 89.62 10.38 2,95 4.68 2.75

Илистые дисперсия

По Тюрину По Гедройцу По Тамму 62.12 83.42 78.80 37.88 16,58 21.2 4.78 4.78 4,78 24.76 7.46 9.48 8.24 4.34 6.94

Коллоидные дисперсии

По Тюрину По Гедройцу По Тамму 58.34 81.25 81.59 41.66 18.75 18.41 5.15 5,15 5,15 20.08 7.65 8.15 16.43 5.95 5.11

Высокомолекулярные дисперсии

По Тюрину По Гедройцу По Тамму Нет Нет Нет 100 28.55 28,96 5.35 5,35 5,35 54.48 9.90 12.45 40.17 13.30 11.16

илистых фракциях (4,39 и 4.76%), Это свидетельствует о том, что в исследуемых образцах кальций находится главным образом в кристаллах минералов. Долевое участие магния низкое (0.51 - 0.67%). Это свидетельствует о том, что магний, содержащийся в почвогрунтах, в основном находится в молекулярных соединениях. Одновалентных элементов в кристаллической части дисперсий больше, чем их содержание в недеструктированных частицах (NaiO - 1.01 и 1.34%; К:0 - 1.29-157%). Анализ химического состава молекулярных соединений показал значительное перераспределение содержания, главным образом, между кремнием и полуторными окислами. Кремний составляет 49.83 - 50.01%; алюминий 28.98 - 29.03%, железо 16.0716.39%. Это, очевидно, свидетельствует о том, что значительная часть железа находится в полимерной форме. Из двухвалентных элементов большее долевое участие в молекулярных соединениях магния, чем кальция.

(М§0 - 1.75 и 2.00%; СаО-О.5 и 0.71%).Одновалентные элементы в молекулярных соединениях находятся в небольших долевых значениях (КагО - 0.41 и 0.72%; К20 - 0.27 и 0.96%). Органическая часть молекулярных соединений составляет в ТНПГ-2,4%, а в ТСЛП -8,7%. По данным химического анализа молекулярной части можно вычислить ее атомный состав (табл.2).

Таблица 2 - Атомный состав ЭВМС почвогрунтов

Элементы 1-атомные проценты/ 2-атомное соотношение ЭВМС экспериментальных образце»

ТНПГ ТСЛП

1 23,32 23,41

2 259.00 180,00

А1 1 15,33 15,36

2 170,00 117,00

Ре 1 11,23 11,46

2 124,00 88,00

Са 1 0,36 0,51

2 4,00 4,00

М8 1 1,06 1,21

2 11,00 10,00

N3 1 0,53 0,30

2 6,00 3,00

К 1 0,80 0,22

2 8,00 2,00

О 1 46,56 46,35

2 513,00 358,00

Коэф. прокаливания 1,19 1,18

С 1 4Д8 4,19

2 35,00 35,00

Н 1 6,15 5,91

2 51,00 49.00

О I 2,49 2.52

2 20,00 21,00

N 1 0.17 0,21

2 1,00 1,00

На основании данных по атомному составу МС можно составить их условную формулу:

ТНПГ: ЗЬ9А][ТОРешСа^пЫавК8051эСэ5Н5102<М

ТСЛП: 511*оА1п7реиСа4М81оКазКгОзМСз5Н4902,К1

Соединения, в составе которых содержится кремний, полуторные окислы

и соединения органических веществ, необходимо отнести к элементооргани-

ческим молекулярным соединениям ЭВМС. Гумусовая часть техногеннона-

рушенных почвогрунтов существенно отличается от зональных почв, прежде всего содержанием в ЭВМС кремния, алюминия и железа (глинистые составляющие).

Элементные связи. Для изучения элементных связей в кристалло-высокомодекулярных дисперсиях КВС использовался метод инфракрасной спектроскопии [Кросс, 1961; Орлов, 1979; Федяев, 1993]. Установлены связи 81—О—Э!; $!—О—А1; —О—Выявлено наличие карбоксильных групп, метальных и метиловых групп, амидных группировок, прогнозируются связи: Эь-СНз; (СН3)2; 5!—СН=СН2

Четвертая глава посвящена вопросам совершенствоваия научных основ технологий регенерации техногеннонарушенных почвогрунтов.

Проведенные нами экспериментальные исследования по определению научных основ технологий регенерации техногеннонарушенных почвогрунтов направлены на модельную проверку известных технических решений и вновь предлагаемых, с учетом макромолекулярного строения, природных полидисперсий. Эксперименты по регенерации почвогрунтов и моделей проводили по следующей схеме: 300 г пробы экспериментальных веществ обрабатывались насыщенными растворами Са304, 0.1 н Ре2(804)з, 0.3% водными растворами искусственного полимера К-4 и предлагаемого регенеран-та РПГ-21. После увлажненной обработки экспериментальные вещества высушивались, и из них отбирались пробы для изучения водно-физических свойств. Затем образцы помещались в посадочные горшочки, и в них сеялся мятлик луговой (Роа раПегшв) [Ларин, 1969]. По истечении 5 месяцев органическую часть растений удаляли, и в образцах изучали: агрегативную устойчивость; структурообразование; фильтрующую способность.

Агрегативная устойчивость дисперсий. Агрегативная устойчивость дисперсий во многом определяет строение и формирование свойств полидисперсий. Согласно мицеллярной теории строения дисперсий устойчивость объясняется явлением пептизации [Гедройц, 1912, 1955; Ке11еу, 1937, 1951; Матсон, 1938; Вингер, 1936; Антипов-Каратаев, 1945, 1957;Тюлнн, 1958],

С позиций макромолекулярного строения агрегативная устойчивость по-лиднсперсий объясняется их структурно-механической стабилизацией

%

706050' 40

69,11 1

64,69

61,39 57,65^

■ 3

47,87

36,05 4

26,26

6,04 5

7,64

0 1 2 3 4 5 Т,месяц

тнпг

Шъ

1 2 3 4 5 АКТИБИЮВАННЫЙ УГОЛЬ

э -

1 ■

I

1Ь

1 2 3 4 5 АЛЬБИТ

%

35

30 »

го

15

ю б • о

12 3 4 5 АНОРТИТ

% во 1

50 40 30 20 ; 10 : о

га

ЕЯ

113 4 5 ТАЛЬК

35 30 25 20 15 10 5 О

1 2 3 4 5 МОНТМОРИЛЛОНИТ

70 60 50 40 30 20 10 О

II

12 3 4 5 КАОЛИНИТ

Рис. 5. Трансформация агрегативной устойчивости: . - НАЧАЛООШТА. |_\1 -КОНЕЦОПЫТА

1 -КОНТРОЛЬ, 2-Са304; 3 - Ге^ОЛ^НдО; 4-К-4; 5-РПГ-21;

[Ребиндер, 1958], Учение основано на том, молекулярные соединения адсро-бируютея на поверхности кристаллических частиц в виде гелеобразных оболочек, препятствуя их коагуляции [Сейфулина, 1984; Карпова, 1992; Лукба-нов, 1995; Боровский, 1982; Михайличенко, 1979; Федяев, Í994; Кулаков, 1995]. Минеральные регенераты не изменяют агрегативную устойчивость в моделях полидисперсных сред, где нет макромолекулярных соединений (уголь) или они слабо выражены (палевые шпаты) (рис.5). Изменение arpe-гатив ной устойчивости наблюдается в моделях вторичных минералов и гех-ногеннонарушенных почвогрунтах.

Искусственные полимеры-структоры однозначно снижают агрегативную устойчивость, как в моделях, так и в техногеннонарушенных почвогрунтах. Это можно объяснить тем, что полимеры блокируют все собственные свойства полидислерсий (рис.5).

Регенерат РПГ-21 взаимодействует главным образом с молекулярными соединениями полидисперсий, изменяя их свойства.

Структурообразованне. В природных условиях структурообразование и агрегативная устойчивость являются обратными процессами. Поэтому регенерация почвогрунтов всегда должна быть направлена на снижение агрета-тивиой устойчивости отдельных фракций дисперсий и усиление оструктури-вания почвогрунтов.

Теория оструктуривания получила отражение в трудах акад. Ребиндера П.А. [1958, 1978], акад. Дерягина Б.В. [1937, 1954J, акад. Боровского В.М. [1978] и др. В настоящее время в литературе выделяют три типа структуро-образования тонких дисперсий: коагуляционное, конденсационно-кристаллизационное и химико-координационное. Структурированность почвогрунтов определяется двумя показателями: прочностью и иодопрочностью афегатов (рис.6-11).

Установлено, что полимер К-4 на основе химико-координационного структурообразования активно оструктуривает техногеннонарушенные поч-вогрунты и полидисперсные модели, создавая прочные и водопрочные aipe-гаты (рис. 6-И), Прочность агрегатов зависит главным образом от свойств полимера. Однако полимер не участвует в интеррасинезе ЭВМС, поэтому он со временем утрачивает свои свойства (рис. 6-11).

_EL

Ж

н

8 7 е б 4 3 2 1 О

1 2 3 4 3 Рис.6. Прочность структур талька

Н

40 35 30 IS 20 IS

«И

5 О

1 2 3 4 5 Рис.8. Прочность структур активированного угля

Мл

30000 25000

1 2 3 4 5 Рис.7, Водопрочность структур талька

Мл

1

еЛ

9000 8000 7000 6000

_о—

1 2 3 4 5 Рис.9. Водопрочность структур активированного угля

п_ П

Н

160 140 120 100 80 во 40 20 0

1 2 3 4 5 Рис. 10. Прочность регенерируемых почвогрунтов

мл

ж

а

7000 •000 5000 4000 3000 2000 1000

eSOD

Н43 м е%4Т5

9|Ю ^20

«70

12 3 4 Рис. 11. Водопрочность регенерируемых почвогрунтов

- НАЧАЛО ОПЫТА; Щ -КОНЕЦ ОПЫТА 1 - КОНТРОЛЬ; 2 - CaSO,; 34. К-4, 5.И1Г-21,

Регенерант РПГ-21 также, на основе химико-координационного структу-рообразования оструктуривает полидисперсные среды, но, в отличие от искусственных полимеров, участвует в интеррасинтезе ЭВМС, поэтому улучшает систему в целом (рис.6-11),

Минеральные регенеранты в системах, где возможно коагуляционное и кристаллизационное структурообразование (уголь), могут не только повысить агрегацию, но и понизить ее (рис.8). В полидисперсных системах, где доминирует коагуляционное структурообразование, катионы кальция и железа улучшают прочность и водопрочность агрегатов (рис. б-М).

У техногеннонарушенных почвогрунтов очень прочная структура и низкая водопрочность. В процессе регенерации необходимо снизить прочность и увеличить водопрочность. Все виды структурообразования имеют место в почвогрунтах, поэтому для регенерации агрегации, свойственной для зональных почв, необходимо выбирать препараты, стимулирующие интерра-синегз ЭВМС (рис. 6-11).

Фильтрация. Закономерности скорости фильтрации воды в толще поч-вогрунта были сформулированы в виде закона Дарен, который считал, что вода, перемещаясь в толще грунта, расходует часть напорного градиента на преодоление трения о поверхность частиц. Согласно этому закону, линейная скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту [Нерпин, Чудновский, 1967; Бартнев, Зеленев, 1983]:

(1)

V

я--, (2)

1

где V - средняя скорость фильтрации; К - коэффициент фильтрации, полученный для определенного грунта; / - гидравлический градиент.

В образцах с дисперсиями угля минеральные регенераты не изменяют фильтрационных свойств. Изменения наблюдаются при действии искусственного полимера К-4 и препарата РПГ-21. Искусственный полимер К-4, обладая хорошими адгезионными свойствами, склеивает отдельные дисперсии в крупные агрегаты, обеспечивая хорошую фильтрацию (рис.12). Регенерат РПГ-21 не обладает мощными адгезионными свойствами, а очевидно, улучшает свойства молекулярных соединений полидисперсий.

мл/мин

30 25 -20 -15 -10 5 О

л', ¡к*

»а/ми»

30| 25' 81 6 41

2"

а; а?

4,9

и

мл/МИН

30 20 10 О

1ЖШ

ш

тнпг

мл/мин

40 30 20 10 О

тлэ

ИЗ

12 3 4 5

АКТИВИРОВАННЫМ УГОЛЬ

мл/мин

35 30 25 20 15 -10 -3 ;

о

1 2 3 4 5 АЛЬБИТ

мл/мин

1 2 3 4 5 ТАЛЬК

25,9х 6,6 5

=1

О 1 2 3 4 5Т, мес

мл/мин

35 3

30 -

25 : 20 -15 -10 -5 -О :

■ тго

И

12 3 4

анортот мл/мин

3530 25 20 15 10 5 О

ишп

1 2 3 4 5

МОНТМОРИЛЛОНИТ

Рис, 12. Фильтрация дисперсий:

12 3 4

КАОЛИНИТ

I .] - НАЧАЛО ОПЫТА, - КОНЕЦ ШЫТА

1-КОНТЮЛЬ, г-СвЭО ч; З-Ре/ЙО^зхОДА 4- кч 5-РПГ-21,

В пол «дисперсиях пслевых шпатов катионы кальция и железа не изменяют фильтрационных свойств полидисперсий (рис.12). Искусственный полимер К-4 хорошо склеивает частицы, обеспечивая увеличение фильтрации на 841% у альбита и на 720% у анортита. В обоих случаях в процессе проведения опытов эффективность действия препаратов снижалась.

В образцах техногеннонарушенного почвогрунта (ТНПГ) показатель фильтрации очень низок (0,3 мл/мин). Действие катионов кальция и железа улучшают фильтрационные свойства на 200% и 300% соответственно. Эти показатели остаются постоянными в период проведения опыта, что, по-видимому, свидетельствует о балансе между процессом интеррасинтеза и гидролиза в образцах.

Полимер К-4 в 86 раз увеличивает показатель фильтрации, но в процессе проведения опыта его действие снижается по отношению к изначальному показателю. Препарат РПГ-21 стимулирует интеррасинтез молекулярных соединений и его изначальное действие, хотя и ниже показателей полимера К-4, но в процессе опыта они значительно улучшаются (рис. 12).

Методы нормирования и внесения регенеранта. Изучение известных технических решений внесения регенератов показало, что минеральные препараты для регенерации нарушенных почвогрунтов определяются расчетным методом, а органические природные вещества и искусственные полимеры - опытным путем.

Нормирование минеральны! регенерантов. Расчетные методы основаны на мицеллярном строении дисперсий почвогрунтов. Метод эквивалентного расчета вытеснения натрия был впервые предложен в России акад. Гедройцем К.К. [1975]:

= К-N8, (3)

где N - норма регенеранта, т/га; /Г, - коэффициент эквивалентного пересчета мелиоранта, т/га; А - мощность мелиорируемого слоя почвогрунта, см; V-объемная масса почвогрунта, г/см3; Ыа - содержание катиона натрия, мг-эка на 100 г образца.

Пример: N = 0,086 • 20 • 1,5 • 4,7 = 12,3 т/га

Акад. Антипов-Каратаев И.Н, [1953] считал, что не весь натрий необходимо удалять из поглощенного состояния:

ЛГ = ЛГ,-А. f.(Na-0,M), (4)

где £ - емкость обмена почвогрунта, в мг-экв на 100г образца.

Пример: N = 0,086 • 20 • 1,5 ■ (4,7 - 0,1 • 17,3)= 7,7 т/га.

На протяжении нескольких десятилетий ученые и практики наблюдали несоответствие теоретических и практических полевых результатов [Андреев, 1956; Карпова, 1992; Лукбанов, 1995; Еланиева, 1997; Токсеитова, 1992; Лактионов, 1962; Семендяева, 1971].

Наши исследования показали, что оструктуривание техногеннонарушен-ных почвогрунтов основано на воздействии регенеранта на высокомолекулярною часть полидисперсий. Поэтому нами предлагаются следующие формы расчета:

1. Для почвогрунтов с большим содержанием катионов Na (Na>20% от емкости обмена):

F-Na- —L, (5)

о

і

где So • емкость обмена общая, мг-экв на 100 г образца; Ze - емкость обмена сорбционная (после деструкции ЭВМС), мг-экв на 100 г образца.

Пример: N = 0,086 ■ 20 ■ 1,5 • 4,7 . 5,12/17,31 = 3,58 т/га.

2. Для почвогрунтов с низким содержанием катионов Na (Na <10% от емкости обмена):

У

N=K, ■ h ■ (6)

Пример: У- 0,086 • 20 • 1,5 ■ 0,29 = 0,748 т/га.

Полученные расчетные нормы полностью подтверждают правомерность '

более ранних полевых опытов по условному снижению норм минеральных регенерантов [Успанов, 1934; Гончарова, 1969; Витман, Парфенов, Семен- ,

кин, 1970; Кокурина, 1972; Кисляков, Михайличенко, 1972].

Нормирование высокомолекулярных регенерантов. Нормы внесения искусственных полимеров, в производственных условиях, определяется опытным путем [Петербургский, Фоненко, Баткж, 1973; Meyer, 1972; Bodolay, Kazo, Mate, 1973; ЗаЙнутдинов, Ахмедов, 1973; Оноприенко, 1974; Заславский, 1983]. Нормы высокомолекулярных регенерантов колеблются в

широких пределах, так как это зависит от эффективности линейных полимеров и свойств почвогрунтов.

Нами предлагается определение нормирования высокомолекулярных регенерантов осуществлять на основе емкости поглощения или валентности

макроионов регенератов и ЭВМС полидисперсий почвогрунтов:

у <7)

Хр'КЮ

где N - норма регенеранта, т/га; К - коэффициент адгезии, у.е.; т„ - масса регенерируемого почвогрунта 1 гектара, т; - емкость поглощения регенератора, мг-экв на 100 г образца; X« - емкость поглощения почвогрунта, мг-экв на 100 г образца; Ее - емкость поглощения почвогрунта, сорбционная, мг-экв на 100 г образца.

3000 (17,31-5,1)

Пример: N =0,3--= 0,6149 т/га,

к* 178,4 ■ 100

300007.31-5,1)

Н ---=0,704(т/га,

рпг-21 9^6-100

Исследования регенерации нарушенных интразональных почв [Лукбаиов, 1995; Еланцева, 1997; Кулаков, 1995] показали, что действие минеральных и органических веществ носят временный характер. С позиции мицелл ярной теории строения полидисперсий это не объяснимо. С позиции макромолеку-лярной теории это объясняется тем, что изначально вытеснение и замещение катионов происходит в функциональных группах ЭВМС полидисперсий, однако при этом структура ЭВМС в целом не претерпела трансформацию, поэтому любые виды регенерации, рекультивации носят цикличный характер воздействия. Завершается их цикличность, когда ЭВМС нарушенных почвогрунтов преобразуются в ЭВМС зональных почв.

В пятой главе рассматривается экономическая эффективность применения регенерантов.

Экономический анализ осуществлялся на основе калькуляции технологического процесса регенерации (табл.3). Экономическая эффективность реге-

нерации техногеннонарушенных почвотрунтов наиболее высокая у предлагаемого технического решения использования препарата РПГ-21. Это вполне объяснимо, так как этот продукт щелочного гидролиза биосферных органических компонентов не требует высоких затрат в производственных условиях.

Таблица 3 • Экономический анализ

Препараты* Регенеранты Себесто имость регенерации i га, руб. Сменная норма выработки, га Сравнительная себестоимость трудозатрат при максимальной норме выработки 9,1 га Уровень затрат относительно варианта с минимальной себестоимостью, руб./га

Коэф. увеличения затрат Себестоимость, руб.

¡4а вез 3425,00 2,1 4.34 14864,5 14725,69

К4 3641,43 9,1 1.00 3641,43 3502,62

РПГ-21 138,81 9,1 1.00 138,81 0.00

Гипс по Гец-роЯцу{ 12,13 тЛа) 6784,12 8,0 1,14 7733,90 7595,09

Гвпе поАнтн-пову-Каратаеву <7,7 т/га) 4347,62 8,0 1,14 4956,29 4817,10

Гипс по предлагаемому решению (3,58 т/га) 2081,52 8,0 1,14 2373,05 2234,24

Затраты на регенерацию спроектированную на основе теории мицелл яр-ного строения полидисперсий в 2,2-3,4 раза выше, чем затраты спроектированные на основе макромолекулярного строения попиднсперсий почвотрунтов.

Использование в качестве регенерантов искусственных полимеров К-4 гораздо эффективнее, чем применение навоза. Расчеты показывают, что в настоящее время дисбаланса цен, использование полимеров дешевле даже минеральных регенерантов, нормы которых рассчитаны на основе мииел-лярной теории строения полидисперсий почвогрунтов. Планируя использовать полимеры-структоры следует помнить, что их оструюуривающее действие значительно выше минеральных и органических препаратов из биосферного материала, но оно ограничено во времени. Затраты на навоз при норме около 40-60 т/га не всегда окупаются.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При строительстве городов и городской конгломнрации, крупных промышленных комплексов и дорог изменяются ландшафты с образованием техногеннонарушенных почвогрунтов, которые необходимо регенерировать до уровня зональных почв. Наиболее широко используемый в строительстве метод землевания разрушает естественные экосистемы, нанося ущерб природным ресурсам. Известные методы регенерации на основе приемов и методов рекультивации и мелиорации с использованием минеральных и органических соединений требуют больших финансовых затрат, поэтому их необходимо совершенствовать. Разработать теоретические основы эффе(пивных технологий можно лишь, используя современные теоретические достижения в области строения попидисперсий, из которых состоят почвы и грунты. В процессе исследований было установлено, что наиболее объективно строение попидисперсий отражает макромолекулярная теория. Инструментальные методы исследований подтвердили правомерность, выбранной теории.

2. Достигнута цель по разработке научных основ оптимизации техн(шо-гических процессов регенерации почвогрунтов для защиты целостности экосистем застраиваемых территорий. Оптимизация достигается опосредстнен-ным управлением процессами трансформации молекулярной и переход ее лолисилаков в элементоорганические соединения. Наиболее эффективно воздействие препаратов участвующих в синтезе элементоорганических соединений.

3. Установлено, что молекулярная часть полидисперсий техногеннонарушенных почвогрунтов составляет до 30 % их общей массы. От состава и свойств молекулярной части полидисперсий их характеризующие физические свойства: агрегативная устойчивость, прочность структур и др. По изменению характеризующих свойств посвогрунтов можно судить о трансформации молекулярной части.

4. Предложена новая технология регенерации почвогрунтов на основе применения препаратов, полученных гидролизом из биосферных органических соединений типа РПГ-21. Эти препараты не способны, как искусственные полимеры, изначально резко изменять водно-физические свойства поч-

вогрунтов, но они улучшают их постепенно, участвуя в интеррасинтезе молекулярных соединений характерных для определенной почвенно-климатической зоны, коренным образом изменяют их, обеспечивая постепенный переход в зональные почвы.

5. Модернизированы регенерационные технологии рекультивации и мелиорации с использованием с использованием в качестве регенерантов минеральных соединений. Расчет доз минеральных регенерантов осуществленный на основе макромолекулярной теории строения полидисперсий позволил значительно снизить их норму. Это объясняется тем, что минеральные регенераты взаимодействуют с полюлектролнтами полидисперсий, обеспечивая снижения их агрегативной устойчивости, улучшая водно-физические свойства. Действие регенерантов эффективно при наличии в молекулярной части элементоорганических соединений.

б. Рекомендовано в технологических процессах регенерации для защиты целостности экосистем застраиваемых территорий новых городских районов, природных комплексов в горнодобывающем производстве использовать:

- Органические вещества гуминовых препаратов типа РПГ-21 на глинистых и тяжелосуглинистых полидисперсных средах.

- минеральные регенеранты при содержании в составе техногеннонарушен-ных почвогрунтах зональных почв не менее 50 %.

- искусственные полимеры типа отечественного препарата К-4 и их аналогов; СОК-189 (США); АИ (Германия); солакрол (Венгрия) для экстренного закрепления грунтов, поврежденных водной и ветровой эрозией.

7. Химической промышленности рекомендуется изменить технические требования к производству препаратов - структурообразователей. Они должны не блокировать, а стимулировать биосферные процессы синтеза элементоорганических молекулярных соединений полидисперсий застраиваемых территорий, повышая биологическую продуктивность регенерируемого почвогрунта.

5.СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Яцынин Н.Л., Яцынин М.К Основные задачи и законы экологии.// Технология машиностроения. Новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей: Материалы научно-технической конференции студентов и аспирантов. - Н.Новгсрод, 1998. -С.77.

2. Кремлевская Т.Л., Яцынин М.Н., Яцынин Н.Л. Антропогенные факторы трансформации электроионогенного потенциала // Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НЗ ТУ. -Арзамас, 1998.-С.261-263.

3. Яцынин Н.Л., Кремлевская ТЛ., Яцынин М.Н. Экология техносферы // Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии а машино- и приборостроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НГТУ, -Арзамас, 1998.-С.267-269.

4. Яцынин М.Н„ Кремлевская Т.Л., Яцынин Н.Л. Абиотическое влияние низких температур на механизмы // Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НГТУ. -Арзамас, 1998. -С.270-271.

5. Яцынин М.Н. Энергия биосферы // Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии н экологии в машино- и приборостроении Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НГТУ. -Арзамас, 1998. -С.272-273.

6. Яцынин М.Н. Экологические методы управления природными ресурсами полидисперсных сред // Приборостроение в а аэрокосмической технике: Материалы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции. -Арзамас, 1999,-С.170-171.

7. Яцынин М.Н. Экологические условия трансформации элементоорганиче-скнх высокомолекулярных соединений // Приборостроение в а аэрокосмической технике: Материалы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции. -Арзамас, 1999. -С. 172.

8. Яцынин М.Н., Яцынин ЯЛ. Управление поглотительной способностью полидисперсных сред природных ресурсов // Технология машиностроения. Новые исследования и разработки студентов аспирантов и преподавателей: Материалы научно технической конференции студентов и аспирантов. -Н. Новгород, 1999.-С.117-120.

9. Яцынин М.Н., Яцынин Н.Л. Природа химических связей интеррасинте-зируюшихся соединений // Технология машиностроения. Новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей: Материалы научно технической конференции студентов и аспирантов. -ИНовгород, 1999. -СЛ20-123.

10. Яцынин М.Н., Яцынин Н.Л. Интеррасинтез в системе круговорота химических элементов // Технология машиностроения. Новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей: Материалы научно технической конференции студентов и аспирантов. -Н.Новгород, 1999. -С.12Э-127.

11. Яиынин М.Н., Бабина С.Н. Эффективность структурно-механической стабилизации биосферных полидисперсий Н Актуальные проблемы современной науки, ч.2. Биология и медицинские науки, экология: Материалы международной конференции молодых ученых и студентов. -Самара, 2000, -С.101.

12.Яиынин М.Н., Яцынин Н.Л. Структурно-механический фактор стабилизации дисперсий //Технологии в машино- и приборостроении на рубеже ХХГ века: Сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции. -Н.Новгород, 2000. -С.290-292.

13. Яцынин М.Н., Яцынин Н.Л. Технологии нормирования регенерантов для техногеннонарушенных почвогрунтов // Технологии в машино- и приборостроении на рубеже XXI века: Сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции, -Н.Новгород, 2000. -С.293-295.

14. Яцынин ЯЛ., Кремлевская Т.Л., Яцынин М.Н. Основные законы экологии в системе образования в инженерно-педагогических ВУЗах // Высокие

технологии в педагогическом процессе: Тезисы докладов межвузовской научно-методической конференции преподавателей ВУЗов, ученых и специалистов. -Н.Новгород, 2000. -С. 117-119.

15. Яцынин М.Н., Яцынин Н.Л. Проблемы экологического образования в инженерно-педагогических ВУЗах К Высокие технологии в педагогическом процессе: Тезисы докладов межвузовской научно-методической конференции преподавателей ВУЗов, ученых и специалистов. -Н.Новгород, 2000. -С.П9-121.

16. Яцынин Н.Л., Яцынин М,Н. Теоретические основы регенерации техно-геннонарушенных полидисперсных систем // Снежинск и наука: Материалы межотраслевой научно-практической конференции. -Снежинск, 2000. -С.104-105.

17. Яцынин М.Н., Яцынин Н.Л. Виды техногенного нарушения ландшафтов и их регенерация Н Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции. -КНовгород, 2001. -С.368-370.

18. Яцынин М.Н., Яцынин Н.Л. Состав техногеннонарушенных дисперсий // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конкуренции, -Н.Новгород, 2001. -С. 370-3 73.

19. Яцынин М.Н., Ядынин Н.Л. Определение платности техногеннонарушенных геоэкологических полидисперсий // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции. -Н.Новгород, 2001. -С.373-376.

>12047

Подписано в печать 16.01.02 Формат60х84 ^^. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 50.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Яцынин, Михаил Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИЙ

РЕГЕНЕРАЦИЙ.

1Л .Мицеллярная теория строения полидисперсий почвогрунтов.

12 Макромолекулярная теория строения полидисперсий почвогрунтов.

1.3 Известные технические регления улучшения качества почвогрунтов.

1.4. Апробированные регенеранты.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методы исследования.

2.2. Инструментальные методы исследований.

2.3.Описание техногеннонарушенных грунтов и полидисперсных моделей.

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РЕГЕНЕРИРУЕМЫХ

ДИСПЕРСИЙ ПОЧВОГРУНТОВ.

3.1. Микроморфология полидисперсий почвогрунтов.

3.2. Установление соотношений между кристаллической и молекулярной частями в полидисперсиях почвогрунтов.

3.3. Химический состав дисперсий.

3.4. Элементные связи.

ГЛАВА 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НАУЧНЫХ

ОСНОВ ТЕХНОЛОГИЙ РЕГЕНЕРАЦИИ

ТЕХНОГЕННОНАРУШЕННЫХ ПОЧВОГРУНТОВ.

4.1. Агрегативная устойчивость дисперсий.

4.2 Структурообразование.

4.3. Фильтрация.

4.4. Методы нормирования и внесения регенеранта.

4.5. Рекомендации производству.

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРЕДЛАГАЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕГЕНЕРАЦИИ

ТЕХНОГЕННОНАРУШЕННЫХ ПОЧВОГРУНТОВ.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Яцынин, Михаил Николаевич

Выводы.

1 .Экономическая эффективность регенерации техногеннонарзшгенных почвогрунтов наиболее высокая у предлагаемого технического решения использования препарата РПГ-21. Это вполне объяснимо, так как этот продукт щелочного гидролиза биосферных органических компонентов не требует высоких затрат в производственных условиях. Хотя условия производства регенеранта и исходный материал будет оказывать существенное влияние на его реализационную цену.

2. Вторым в наших исследованиях по экономическим затратам на регенерации является использование препаратов, содержащих катион кальция до 2423,24 рубля на гектар (табл. 35). Следует отметить, что затраты на регенерацию спроектированную на основе теории мицеллярного строения полидисперсий в 2,2-3,4 раза выше, чем затраты спроектированные на основе макромоле-кулярного строения полидисперсий почвогрунтов.

3. Использование в качестве регенерантов искусственных полимеров К-4 гораздо эффективнее, чем применение навоза. Расчеты показывают, что в настоящее время дисбаланса цен, использование искусственных полимеров дешевле даже минеральных регенерантов, нормы которых рассчитаны на основе мицеллярной теории строения полидисперсий почвогрунтов. Планируя использовать полимеры-структоры следует помнить, что их оструктуривающее действие значительно выше минеральных и органических препаратов из биосферного материала, но оно ограничено во времени.

4. Навоз традиционно считается наиболее доступным средством. Его применение дает положительные результаты. Однако практика показывает, что биологическая эффективность использования навоза достигается при норме около 40-60 т/га. При таких нормах, как показал экономический анализ затраты на гектар достигают 3425,0 руб. Поэтому рациональней его предварительно перерабатывать создавая биосферные препараты типа РПГ-21.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. При строительстве городов и городской конгломнрации, крупных промышленных комплексов и дорог изменяются ландшафты с образованием техно-геннонарушенных почвогрунтов, которые необходимо регенерировать до уровня зональных почв. Наиболее широко используемый в строительстве метод землевания разрушает естественные экосистемы, нанося ущерб природным ресурсам. Известные методы регенерации на основе приемов и методов рекультивации и мелиорации с использованием минеральных и органических соединений требуют больших финансовых затрат, поэтому их необходимо совершенствовать. Разработать теоретические основы эффективных технологий можно лишь, используя современные теоретические достижения в области строения полидисперсий, из которых состоят почвы и грунты. В процессе исследований было установлено, что наиболее объективно строение полидисперсий отражает макромолекулярная теория. Инструментальные методы исследований подтвердили правомерность, выбранной теории.

2. Достигнута цель по разработке научных основ оптимизации технологических процессов регенерации почвогрунтов для защиты целостности экосистем застраиваемых территорий. Оптимизация достигается опосредственным управлением процессами трансформации молекулярной и переход ее поли-силанов в элементоорганические соединения. Наиболее эффективно воздействие препаратов зАаствующих в синтезе элементоорганических соединений.

3. Установлено, что молекулярная часть полидисперсий техногеннонарушен-ных почвогрунтов составляет до 30 % их общей массы. От состава и свойств молекулярной части полидисперсий их характеризующие физические свойства: агрегативная устойчивость, прочность структур и др. По изменению характеризующих свойств посвогрунтов можно судить о трансформации молекулярной части.

4. Предложена новая технология регенерации почвогрунтов на основе применения препаратов, полученных гидролизом из биосферных органических соединений типа РПГ-21. Эти препараты не способны, как искусственные полимеры, изначально резко изменять водно-физические свойства почвогрун-тов, но они улучшают их постепенно, участвуя в интеррасинтезе молекулярных соединений характерных для определенной почвенно-климатической зоны, коренным образом изменяют их, обеспечивая постепенный переход в зональные почвы.

5. Модернизированы регенерационные технологии рекультивации и мелиорации с использованием с использованием в качестве регенерантов минеральных соединений. Расчет доз минеральных регенерантов осуществленный на основе макромолекулярной теории строения полидисперсий позволил значительно снизить их норму. Это объясняется тем, что минеральные регенеран-ты взаимодействуют с полиэлектролитами полидисперсий, обеспечивая снижения их агрегативной устойчивости, улучшая водно-физические свойства. Действие регенерантов эффективно при наличии в молекулярной части элементоорганических соединений.

6. Рекомендовано в технологических процессах регенерации для защиты целостности экосистем застраиваемых территорий новых городских районов, природных комплексов в горнодобывающем производстве использовать:

• Органические вещества гуминовых препаратов типа РПГ-21 на глинистых и тяжелосуглинистых полидисперсных средах.

• минеральные регенеранты при содержании в составе техногеннона-рушенных почвогрунтах зональных почв не менее 50 %.

• искусственные полимеры типа отечественного препарата К-4 и их аналогов; СОК-189 (США); АМ (Германия); солакрол (Венгрия) для экстренного закрепления грунтов, поврежденных водной и ветровой эрозией.

7. Химической промышленности рекомендуется изменить технические требования к производству препаратов - структурообразователей. Они должны не блокировать, а стимулировать биосферные процессы синтеза элементоорга-нических молекулярных соединений полидисперсий застраиваемых территорий, повышая биологическую продуктивность регенерируемого почвог-рунта.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Яцынин, Михаил Николаевич, Нижний Новгород

1. Гедройц К.К. Коллоидная химия в вопросах почвоведения -ч. 1 СПб.-1912.

2. Гедройц К.К. Избр. соч., т. 1-3 М., Сельхозгиз, 1955.

3. Kelley W.P. The essential nature of alkali soils and methods for their reclamation. Mezogazdasergi kutatusok, v. l, 1934, pp.439-458

4. Kelley W.P. The reclamation of alkali soils. Calif Agric. Exper. Stat. Bull. 617, № 385, 1937, 40 pp.

5. Kelley W.R. Alkah soils. Their formation, properties and reclamation. N.Y.,1951

6. Holz S.C. и др.Long term effects of the application of sewage sludge and vegetal cover on some physical and physicochemical properties of a degraded arid soil/Holz S.Cbigelmo F.,Canet R. // Agrochimica.-2000.-Vol.44,N 3/4.-P.132-139

7. MaxcoH C. Почвенные коллоиды. М.: Сельхозгиз, 1938 420 с.

8. Вингер Г. Ионный обмен и сгруктура./ЛТочвоведение 1936. №3.

9. Антипов-Каратаев И.П. К; вопросу о генезисе иллювиальных горизонтов в солонцах.// Почвоведение. 1939. №7 -С.81-91.

10. Антипов-Каратаев И.П. Почва как полидисперсная система и методы исследования физико-химических свойств почвы. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1945.Т.4.-ВЫП. 1.-С.5-46.

11. Антипов-Каратаев И.П. Химия и физико-химия почв СССР.// Почвоведение. 1957.-№1.

12. Тюлин А.Ф. Неоднородность почвенных органоминеральных коллоидов в зависимости от различного количественного и качественного содержания в них полуторных окислов.// Почвоведение. 1939. -№7.

13. Тюлин А.Ф. Органо-минеральные коллоиды в почве, их генезис и значение для корневого питания в высших растениях. М.: Изд-во АН СССР, 1958.-51с.

14. Горбунов Н.И. минералогия и коллоидная химия почв. М.: Наука, 1974. -314с.

15. Воюцкий С.С. курс коллоидной химии. М.: Изд-во "Высшая школа", -1964. 574с.

16. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Изд-во "Химия", -1976. -512с.

17. Пасынский А.Г. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1968.-232с.

18. Хмельницкий P.A. Современные методы исследования агрономических объектов. М.: 1981.-С. 136-176.

19. Фролов Ю.Г. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. М.:Химия, 1986,214с.

20. Качинский H.A. Физика почвы. М.: "Высшая школа", 1965.

21. НерпинС.В.,ЧудновскийА.Ф. Физика почвы. М.: "Наука". 1967

22. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М.; Наука, -1973. Т.1 -447с.

23. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. -Л.: Химия. -1984. -368с.

24. Антипов-Каратаев И.Н. Вопросы происхождения и географического распространения солонцов СССР.//Мелиорация солонцов в СССР. -М.: Изд-во АН СССР, 1953.-С. 9-267.

25. Прасолов Л.И., Антипов-Каратаев И.Н. О солонцеватых каштановых почвах Ергеней и о методике определения солонцеватости.// Тр.Почв, инс-та. М.: АН СССР. -1930. -вьш.3-4. -С.161-206.

26. Иванова E.H. Материалы по изучению процессов осолодения в почвах лесостепи Западной сибири.//Тр.Почв. ин-та им. В.В. Докучаева -1930. -вьш.3-4. -С.207-284.

27. Розов Л.П. солонцовые процессы в мелиорации./Шочвоведение. -1932. -№3.-С.304-341.

28. Sileika А.8 .Nutrient losses from Agriculture in Lithuania // Landbau-forsch.Volkenrode.-2000.-Jg.50,H.l/2.-S.15-23.

29. Усов Н.И. Роль поглощенного магния в образовании солонцеватых свойств почв.//Тр.конф. по почвоведению и по физиологии культурных растений. Саратов. -1937. -С.44-46.

30. Годунова Е.И.Эколого-мелиоративные приемы повышения продуктивности солонцовых почв Центрального и Восточного Предкавказья:АБтореф. дис.д-ра с.-х. наук/Ставроп. гос. с.-х. акад.-Ставрополь, 2000.-47 с.

31. Андреев Б.В. Повышение плодородия солонцов и солоцеватых почв. Саратов.: Кн. изд-во. -1961. -39с.

32. Андреев Б.В. структура и процессы агрегации в солонцовом горизонте.//В кн.:"Развитие почвоведения в Казахстане", Алма-Ата, -1963. -С. 116-124.

33. Горбунов П.И. Глинистые и сопутствующие им минералы главнейших типов почв.//Физика, химия, биология и минералогия почв СССР. М.: Наука. -1964.-С. 110-126.

34. Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв. М., 1978

35. Панков A.M., Шаврыгин П.И. К характеристике состава поглощенного комплекса почв Приманыческой полосы.//Тр.Почв.ин-та им. В.В. Докучаева. -1934. -вьш.9 -С.205-235.

36. Шаврыгин П.И. Влияние магния на физические свойства почв.// Почвоведение. -1935. -№2. -С. 167-173.

37. Богатырев К.П. Смолницы (смоницы) Албании (коричнево-луговые и луго-во-коричневые темноцветные магнезиально-солонцеватые почвы.).// Поч-воведение.-1958.-№4.-С. 14-22.

38. Ратнер Е.И. Минеральное питание растений и поглотительная способность почв. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1950

39. Шахов A.A. Солеустойчивость растений. М.: -1956. -552с.

40. Mankin K.R.,Koelliker J.KA hydrologie balance approach to saline seep remediation design IIAppl.Engg in Agr.-2000.-Vol.l6,N 2.-P. 129-133

41. Мамаева Л.Я. Роль поглощенного магния в солонцеватости почв.// В кн.: " Земледельческое освоение "полупустынных земель". М.: Изд-во "Наука", -1966.-С.98-128.

42. Сейфулина СМ. Трансформация солонцов озерных террас Теке-Каройской равнины при остепнении.//Дисс.канд.сельхоз.наук. Алма-Ата -1984.

43. Карпова Д.В. Трансформация органического вещества мелиорированных солонцов.//Автореф.кандид. дисс. Алма-Ата. -1992. -137с.

44. Лукбанов В.М. Физико-химическая механика в вопросах диагностики мелиоративного состояния солонцовых почв.//Автореф.канд.дисс. -Алматы. -1995. -25с.

45. Панов Н.П. Особенности генезиса почв солонцовых комплексов степной зоны.//Автореф.доктор.дисс. М., -1972. -36с.

46. Панов Н.П. Генезис малонатриевых солонцов .//Современные почвенные процессы. М.: -1974. -С.18-40.

47. Картин В.А. Адсорбция электролитов на кремнекислоте, полуторных окислов и их смешанных гелях. 1939

48. Картин В.А. Особенности строения полимеров./АУШ Международный съезд по общей и прикладной химии. М.: Изд-во АН СССР. -1958.

49. Картин В.А. Современные проблемы науки о полимерах. М.: Изд-во МГУ. -1962.

50. Берестнева З.Я., Корецкая Т.А., Каргин В.А. Электронно-микроскопичесое исследование Sfo2 золей.// Коллоид.ж. -1949. -Т.П. -№6. -С.369-370.

51. Егорова E.H. Методы выделения кремниевой кислоты и аналитического определения кремнозема. М.-Л.: Изд-во АН СССР, -1959. -149с.

52. Гребенщиков И.В. Химические реакции на поверхности силикатов и их значение для техники. М.: Изд. АН СССР, отд. техн. наук. -1937.54